(57)【要約】【課題】  良好な圧電特性を得ることができる圧電素子およびその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明に係る圧電素子１０の製造方法は，  基板１の上方に第１電極４を形成する工程と、  第１電極４の上方に、ペロブスカイト構造を有する圧電体からなる圧電体層５を形成する工程と、  圧電体層５の上方に第２電極６を形成する工程と、を含み、  第１電極４を形成する工程は、  ニッケル含有層４１を形成する工程と、  ニッケル含有層４１の上方に、立方晶（１００）に配向するようにニッケル酸ランタン層４２を形成する工程と，を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上方に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上方に、ペロブスカイト構造を有する圧電体からなる圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、を含み、
前記第１電極を形成する工程は、
ニッケル含有層を形成する工程と、
前記ニッケル含有層の上方に、立方晶（１００）に配向するようにニッケル酸ランタン層を形成する工程と、を含む、圧電素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記ニッケル含有層は、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を含む、圧電素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２において、
前記ニッケル酸ランタン層を形成する工程中または該工程後に、前記ニッケル含有層から、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を、前記ニッケル酸ランタン層に拡散させる、圧電素子の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記ニッケルおよび前記酸化ニッケルのうちの少なくとも一方の拡散は、熱処理により行われる、圧電素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記ニッケル含有層と、前記ニッケル酸ランタン層とは、接するように形成される、圧電素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記第１電極を形成する工程は、ニッケル酸ランタンに比べ比抵抗が低い導電材からなる低抵抗層を形成する工程を有する、圧電素子の製造方法。
【請求項７】
請求項６において、
前記導電材は、金属、該金属の酸化物、および該金属からなる合金のうちの少なくとも１種を含み、
前記金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、およびＮｉのうちの少なくとも１種である、圧電素子の製造方法。
【請求項８】
請求項６または７において、
前記ニッケル酸ランタン層は、前記低抵抗層の上方に形成される、圧電素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかにおいて、
前記ニッケル酸ランタン層と前記圧電体層とは、接するように形成される、圧電素子の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかにおいて、
前記圧電体は、菱面体晶、または、正方晶と菱面体晶との混晶であり、かつ（１００）に配向する、圧電素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の圧電素子の製造方法により得られる圧電素子。
【請求項１２】
基板と、
前記基板の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された、ペロブスカイト構造を有する圧電体からなる圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を含み、
前記第１電極は、
ニッケル含有層と、
前記ニッケル含有層の上方に形成された、立方晶（１００）に配向しているニッケル酸ランタン層と、を含む、圧電素子。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記ニッケル含有層は、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を含む、圧電素子。
【請求項１４】
請求項１２または１３において、
前記ニッケル含有層と、前記ニッケル酸ランタン層とは、接している、圧電素子。
【請求項１５】
請求項１１〜１４のいずれかに記載の圧電素子を有する、インクジェット式記録ヘッド。
【請求項１６】
請求項１５に記載のインクジェット式記録ヘッドを有する、インクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子およびその製造方法、インクジェット式記録ヘッド、並びに、インクジェットプリンタに関する。
【背景技術】
【０００２】
高画質、高速印刷を可能にするプリンタとして、インクジェットプリンタが知られている。インクジェットプリンタ用のインクジェット式記録ヘッドにおける圧電素子の特性向上には、圧電体層の結晶方位の制御が重要である。
【０００３】
結晶方位を制御する方法としては、ＭｇＯ（１００）単結晶基板を用いて制御する方法が開示されている（特開２０００−１５８６４８号公報参照）。しかしながら、この方法では、インクジェット式記録ヘッドの作製工程が複雑になる場合がある。
【特許文献１】特開２０００−１５８６４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、良好な圧電特性を得ることができる圧電素子およびその製造方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、上記圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッド、およびインクジェットプリンタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、
基板の上方に第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上方に、ペロブスカイト構造を有する圧電体からなる圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層の上方に第２電極を形成する工程と、を含み、
前記第１電極を形成する工程は、
ニッケル含有層を形成する工程と、
前記ニッケル含有層の上方に、立方晶（１００）に配向するようにニッケル酸ランタン層を形成する工程と、を含む。
【０００６】
この圧電素子の製造方法によれば、良好な圧電特性を有する圧電素子を提供することができる。この理由は、以下の通りである。
【０００７】
ニッケル酸ランタンは、基本的には、（１００）に自己配向しやすい。しかしながら、例えば、前記ニッケル含有層を形成しない場合、前記ニッケル酸ランタン層に（１１０）などに配向したニッケル酸ランタンの結晶が混入する場合があり、安定しない。これに対し、この圧電素子の製造方法によれば、前記ニッケル含有層を形成し、その上方に前記ニッケル酸ランタン層を形成することにより、前記ニッケル酸ランタン層は、（１００）に安定して配向する。このように、前記ニッケル酸ランタン層が（１００）に配向していることにより、前記ニッケル酸ランタン層の上方に前記圧電体層を形成する際に、前記圧電体層は、前記ニッケル酸ランタン層の結晶配向を引き継いで、（１００）に配向することができる。これにより、この圧電素子は、圧電定数がより高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなす前記圧電体層を有することができる。即ち、この圧電素子によれば、より良好な圧電特性を得ることができる。
【０００８】
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
【０００９】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記ニッケル含有層は、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を含むことができる。
【００１０】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記ニッケル酸ランタン層を形成する工程中または該工程後に、前記ニッケル含有層から、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を、前記ニッケル酸ランタン層に拡散させることができる。
【００１１】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記ニッケルおよび前記酸化ニッケルのうちの少なくとも一方の拡散は、熱処理により行われることができる。
【００１２】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記ニッケル含有層と、前記ニッケル酸ランタン層とは、接するように形成されることができる。
【００１３】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記第１電極を形成する工程は、ニッケル酸ランタンに比べ比抵抗が低い導電材からなる低抵抗層を形成する工程を有することができる。
【００１４】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記導電材は、金属、該金属の酸化物、および該金属からなる合金のうちの少なくとも１種を含み、
前記金属は、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、およびＮｉのうちの少なくとも１種であることができる。
【００１５】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記ニッケル酸ランタン層は、前記低抵抗層の上方に形成されることができる。
【００１６】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記ニッケル酸ランタン層と前記圧電体層とは、接するように形成されることができる。
【００１７】
本発明に係る圧電素子の製造方法において、
前記圧電体は、菱面体晶、または、正方晶と菱面体晶との混晶であり、かつ（１００）に配向することができる。
【００１８】
本発明に係る第１の圧電素子は、上述の圧電素子の製造方法により得られる。
【００１９】
本発明に係る第２の圧電素子は、
基板と、
前記基板の上方に形成された第１電極と、
前記第１電極の上方に形成された、ペロブスカイト構造を有する圧電体からなる圧電体層と、
前記圧電体層の上方に形成された第２電極と、を含み、
前記第１電極は、
ニッケル含有層と、
前記ニッケル含有層の上方に形成された、立方晶（１００）に配向しているニッケル酸ランタン層と、を含む。
【００２０】
本発明に係る圧電素子において、
前記ニッケル含有層は、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を含むことができる。
【００２１】
本発明に係る圧電素子において、
前記ニッケル含有層と、前記ニッケル酸ランタン層とは、接していることができる。
【００２２】
本発明に係るインクジェット式記録ヘッドは、上述の圧電素子を有する。
【００２３】
本発明に係るインクジェットプリンタは、上述のインクジェット式記録ヘッドを有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明に好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２５】
１．第１の実施形態
１−１．  まず、第１の実施形態に係る圧電素子１０について説明する。
【００２６】
図１、図２のそれぞれは、圧電素子１０を示す断面図である。圧電素子１０は、基板１と、基板１の上に形成されたストッパ層２と、ストッパ層２の上に形成された硬質層３と、硬質層３の上に形成された第１電極４と、第１電極４の上に形成された圧電体層５と、圧電体層５の上に形成された第２電極６と、を含む。
【００２７】
基板１としては、例えば（１１０）配向のシリコン基板などを用いることができる。ストッパ層２としては、例えば酸化シリコンなどを用いることができる。ストッパ層２は、例えば、インクジェット式記録ヘッド５０（図７参照）のキャビティ５２１を形成するために基板１を裏面側からエッチングする工程において、エッチングストッパとして機能することができる。また、ストッパ層２および硬質層３は、インクジェット式記録ヘッド５０において弾性層５５として機能する。硬質層３としては、例えばイットリア安定化ジルコニア、酸化セリウム、酸化ジルコニウムなどを用いることができる。
【００２８】
第１電極４は、低抵抗層４０と、低抵抗層４０の上に形成されたニッケル含有層４１と、ニッケル含有層４１の上に形成されたニッケル酸ランタン層４２と、を含むことができる。第１電極４は、圧電体層５に電圧を印加するための一方の電極である。第１電極４は、例えば、圧電体層５と同じ平面形状に形成されることができる。
【００２９】
低抵抗層４０は、ニッケル酸ランタンに比べ比抵抗が低い導電材からなる。この導電材は、例えば、金属、該金属の酸化物、および該金属からなる合金のうちの少なくとも１種を含むことができる。ここで、金属としては、例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ、およびＮｉのうちの少なくとも１種を用いることができる。金属の酸化物としては、例えば、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２などを挙げることができる。金属からなる合金としては、例えば、Ｐｔ−Ｉｒ、Ｉｒ−Ａｌ、Ｉｒ−Ｔｉ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ａｌ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｔｉ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ａｌ−Ｔｉなどを挙げることができる。本実施形態において、この導電材の結晶配向は特に限定されず、例えば、（１１１）配向していることができる。低抵抗層４０の膜厚は、例えば５０ｎｍ〜１５０ｎｍ程度とすることができる。
【００３０】
ニッケル含有層４１は、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を含むことができる。ニッケル含有層４１は、例えば、ニッケル層、酸化ニッケル層などからなることができる。また、本実施形態では、図２に示すように、第１電極４は、ニッケル含有層４１を有しないこともできる。即ち、第１電極４は、低抵抗層４０と、低抵抗層４０の上に形成されたニッケル酸ランタン層４２と、を含むことができる。なお、図２に示す圧電素子１０の形成工程においては、ニッケル含有層４１は形成されている。詳細については、後述する。ニッケル含有層４１の膜厚は、例えば０ｎｍ〜１０ｎｍ程度とすることができる。
【００３１】
ニッケル酸ランタン層４２は、ニッケル含有層４１と接しており、圧電体層５とも接している。ニッケル酸ランタン層４２を構成するニッケル酸ランタンは、化学式ＬａＮｉＯｙ（２≦ｙ≦３）で示されることができる。ニッケル酸ランタンは、（１００）に配向している。なお、ニッケル酸ランタンの面内方向の結晶配向は、ランダムである。ニッケル酸ランタンは、（１００）に自己配向しやすい。ニッケル酸ランタン層４２の膜厚は、例えば１０ｎｍ〜１４０ｎｍ程度とすることができる。
【００３２】
圧電体層５は、ペロブスカイト構造を有する圧電体からなる。圧電体層５は、ニッケル酸ランタン層４２と接している。圧電体層５を構成する圧電体は、菱面体晶、または、正方晶と菱面体晶との混晶であり、かつ（１００）に配向していることが望ましい。このような圧電体からなる圧電体層５は、高い圧電定数を有する。
【００３３】
この圧電体は、例えばＡＢＯ３の一般式で示されることができる。ここで、Ａは、Ｐｂを含み、Ｂは、ＺｒおよびＴｉのうちの少なくとも一方を含むことができる。さらに、Ｂは、Ｖ、Ｎｂ、およびＴａのうちの少なくとも一種を含むこともできる。この場合、この圧電体は、ＳｉおよびＧｅのうちの少なくとも一方を含むことができる。より具体的には、圧電体は、例えば、ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３）、ジルコニウム酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＺｒＴｉＯ３）、マグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）ＴｉＯ３）、マグネシウムニオブ酸ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）(Ｚｒ，Ｔｉ)Ｏ３）、亜鉛ニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｎ，Ｎｂ）ＴｉＯ３）、スカンジウムニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｓｃ，Ｎｂ）ＴｉＯ３）、ニッケルニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）ＴｉＯ３）、および、インジウムマグネシウムニオブ酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｉｎ，Ｍｇ，Ｎｂ）ＴｉＯ３）のうちの少なくとも一種を含むことができる。
【００３４】
また、圧電体は、例えば、（Ｂａ１−ｘＳｒｘ）ＴｉＯ３（０≦ｘ≦０．３）、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、および、ＫＮｂＯ３のうちの少なくとも１種を含むことができる。圧電体層５の膜厚は、例えば０．４μｍ〜５μｍ程度とすることができる。
【００３５】
第２電極６は、導電性酸化層４６と、導電性酸化層４６の上に形成された他の低抵抗層（以下、「第２低抵抗層」と言う。）４７と、を含む。第２電極６は、圧電体層５に電圧を印加するための他方の電極である。第２電極６が、導電性酸化層４６と、第２低抵抗層４７と、を含むことにより、第２電極６と第１電極４とを、圧電体層５に関してほぼ対称にすることができる。即ち、圧電素子１０の対称性を良くすることができる。なお、第２電極６は、導電性酸化層４６または第２低抵抗層４７のいずれか一方からなることもできる。第２電極６は、例えば、圧電体層５と同じ平面形状に形成されることができる。
【００３６】
導電性酸化層４６は、例えば、ペロブスカイト構造を有する導電性酸化物からなることができる。この導電性酸化物は、例えば、ＣａＲｕＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＢａＲｕＯ３、ＳｒＶＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３、およびＬａＮｉＯｙ（２≦ｙ≦３）、並びに、これらのうちの少なくとも２種からなる固溶体のうちの少なくとも１種を含むことができる。導電性酸化層４６の膜厚は、例えば０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすることができる。
【００３７】
第２低抵抗層４７は、例えば、導電性酸化層４６を構成する導電性酸化物に比べ比抵抗が低い導電材からなることができる。この導電材としては、例えば、上述した低抵抗層４０を構成する導電材を用いることができる。第２低抵抗層４７の膜厚は、例えば０ｎｍ〜２００ｎｍ程度とすることができる。
【００３８】
１−２．  次に、本実施形態に係る圧電素子１０の製造方法について、図１および図２を参照しながら説明する。
【００３９】
まず、基板１として、（１１０）配向のシリコン基板を用意する。
【００４０】
次に、基板１の上にストッパ層２を形成する。ストッパ層２は、例えば、熱酸化法、ＣＶＤ法などにより形成することができる。
【００４１】
次に、ストッパ層２の上に硬質層３を形成する。硬質層３は、例えばＣＶＤ法、スパッタ法、蒸着法などにより形成することができる。
【００４２】
次に、硬質層３の上に低抵抗層４０を形成する。上述したように、本実施形態おいて、低抵抗層４０を構成する導電材の結晶配向は特に限定されないので、低抵抗層４０の作製条件や作製方法は適宜選択することができる。例えば、低抵抗層４０は、スパッタ法、真空蒸着法などにより形成することができる。また、低抵抗層４０の形成を行う際の温度は、例えば、室温〜６００℃とすることができる。
【００４３】
次に、低抵抗層４０の上にニッケル含有層４１を形成する。ニッケル含有層４１は、例えばスパッタ法などにより形成することができる。ニッケル含有層４１の形成温度は、例えば、室温〜６００℃とすることができる。
【００４４】
次に、ニッケル含有層４１の上にニッケル酸ランタン層４２を形成する。本工程中に、ニッケル含有層４１から、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を、ニッケル酸ランタン層４２に拡散させることができる。具体的には、例えば、ニッケル酸ランタン層４２を形成する際の基板温度を、５００℃以上とすることにより、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を熱拡散させることができる。ニッケル酸ランタン層４２は、例えばスパッタ法、ゾルゲル法などにより形成することができる。ニッケル酸ランタン層４２を、例えば、ＲＦスパッタ法により形成する場合、ＲＦパワーは、例えば、５００〜３ｋＷとすることができる。また、例えば、アルゴンおよび酸素中の酸素の割合（Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２））は、例えば、０％〜５０％とすることができる。以上の工程により、第１電極４が形成される。
【００４５】
また、ニッケル酸ランタン層４２の形成工程後に、ニッケル含有層４１から、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を、ニッケル酸ランタン層４２に拡散させることもできる。例えば、ニッケル酸ランタン層４２の形成工程後に、熱処理工程を行うことができる。熱処理工程では、熱処理温度を例えば５００℃〜８００℃とすることにより、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を熱拡散させることができる。
【００４６】
上述したように、ニッケル酸ランタン層４２の形成工程中または後に、ニッケル含有層４１から、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を、ニッケル酸ランタン層４２に拡散させることができる。即ち、ニッケル含有層４１から、ニッケル（具体的には、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方）を、ニッケル酸ランタン層４２に供給することができる。これにより、ニッケル酸ランタン層４２を（１００）に配向させることができる。このことは、後述する実験例において確認されている。
【００４７】
ニッケル含有層４１から、ニッケルおよび酸化ニッケルのうちの少なくとも一方を、ニッケル酸ランタン層４２に拡散させた結果、ニッケル含有層４１を残すこともできるし（図１の場合）、ニッケル含有層４１を残さないこともできる（図２の場合）。なお、ニッケル含有層４１を残す場合は、ニッケルは導電性を有するため、ニッケル含有層４１がニッケルであることが好ましい。これらは、ニッケル含有層４１の膜厚、熱拡散の時間、熱拡散の温度等を調整することにより、適宜選択することができる。
【００４８】
次に、ニッケル酸ランタン層４２の上に圧電体層５を形成する。圧電体層５は、例えばスパッタ法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
【００４９】
次に、圧電体層５の上に導電性酸化層４６を形成する。導電性酸化層４６は、例えばスパッタ法、ゾルゲル法などにより形成することができる。
【００５０】
次に、導電性酸化層４６の上に第２低抵抗層４７を形成する。第２低抵抗層４７は、例えばスパッタ法、真空蒸着法などにより形成することができる。以上の工程により、第２電極６が形成される。
【００５１】
以上の工程によって、本実施形態に係る圧電素子１０を形成することができる。
【００５２】
１−３．  次に、実験例について説明する。
【００５３】
本実験例では、上述した製造方法に基づいて、第１電極４までの形成を行った。なお、基板１としては（１１０）配向のシリコン基板、ストッパ層２としては酸化シリコンと酸化チタン（ＴｉＯｘ）との積層膜、低抵抗層４０としては白金、ニッケル含有層４１としては酸化ニッケル（ＮｉＯｘ）を用いた。なお、硬質層３の形成は行っていない。また、ニッケル酸ランタン層４２は、ＲＦスパッタ法を用いて形成した。該ＲＦスパッタ法の条件は、ＲＦパワーを１ｋＷとし、基板温度を２５０℃とし、Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）を１０％とした。また、各層の膜厚は、酸化シリコン層を１０００ｎｍ、酸化チタン層を４００ｎｍ、低抵抗層４０を１００ｎｍ、ニッケル含有層４１を１０ｎｍ、ニッケル酸ランタン層４２を７０ｎｍとした。
【００５４】
図３は、本実験例に係るニッケル酸ランタン層４２の２θ−θスキャンのＸ線回折図である。比較例として、ニッケル含有層４１を形成せずに、低抵抗層４０上に直接ニッケル酸ランタン層４２を形成したものの測定も行った。なお、図３において、本実験例の測定結果は、ＬａＮｉＯｘ／ＮｉＯｘと表記し、比較例の測定結果は、ＬａＮｉＯｘと表記している。図３に示すように、比較例では、ニッケル酸ランタンの（１１０）のピークが観察された。この理由は、（１１０）面の表面エネルギーが低く、安定だからである。これに対し、本実験例では、ニッケル酸ランタンの（１１０）のピークは観察されず、ニッケル酸ランタンが（１００）に配向していることに由来するピークのみが観察された。この理由は、本実験例では、ニッケル含有層４１からニッケル酸ランタン層４２にニッケルが供給され、表面エネルギー以外の配向を制御する因子が付加され、良好な結晶配向となったためと考えられる。
【００５５】
図４は、本実験例に係る断面透過型電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）の暗視野像である。なお、断面ＴＥＭの観察を行うために、ニッケル酸ランタン層４２の上に接着剤層１２を形成している。図４に示すように、ニッケル含有層４１は観察されなかった。これにより、ニッケル含有層４１からニッケル酸ランタン層４２に酸化ニッケルが拡散していることが確認された。即ち、ニッケル含有層４１からニッケル酸ランタン層４２にニッケルが供給されていることが確認された。
【００５６】
本実験例の結果から、ニッケル含有層４１からニッケル酸ランタン層４２にニッケルを供給することにより、ニッケル酸ランタン層４２は、（１００）に配向することが確認された。
【００５７】
１−４．  本実施形態に係る圧電素子１０の製造方法によれば、良好な圧電特性を有する圧電素子１０を提供することができる。この理由は、以下の通りである。
【００５８】
ニッケル酸ランタンは、基本的には、（１００）に自己配向しやすい。しかしながら、上述した比較例に示すように、例えば、ニッケル含有層４１を形成せずに、低抵抗層４０上に直接ニッケル酸ランタン層４２を形成すると、ニッケル酸ランタン層４２に（１１０）などに配向したニッケル酸ランタンの結晶が混入する。これに対し、本実施形態に係る圧電素子１０の製造方法によれば、上述したように、ニッケル含有層４１を形成し、その上にニッケル酸ランタン層４２を形成することにより、ニッケル酸ランタン層４２は、（１００）に配向する。このことは、下地の低抵抗層４０を構成する導電材の結晶方位に依存しない。このように、ニッケル酸ランタン層４２が（１００）に配向していることにより、ニッケル酸ランタン層４２の上に圧電体層５を形成する際に、圧電体層５は、ニッケル酸ランタン層４２の結晶配向を引き継いで、（１００）に配向することができる。これにより、圧電素子１０は、圧電定数がより高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなす圧電体層５を有することができる。即ち、本実施形態に係る圧電素子１０によれば、より良好な圧電特性を得ることができる。
【００５９】
また、本実施形態に係る圧電素子１０では、第１電極４が低抵抗層４０を有する。低抵抗層４０は、ニッケル酸ランタンに比べ比抵抗が低い導電材からなる。これにより、例えば第１電極４が低抵抗層４０を有しない場合と、第１電極４が低抵抗層４０を有する場合とを、第１電極４を同一形状として比較した場合に、第１電極４が低抵抗層４０を有する場合（即ち、本実施形態の場合）の方が、第１電極４全体の抵抗が小さい。従って、本実施形態に係る圧電素子１０によれば、良好な圧電特性を得ることができる。
【００６０】
１−５．  次に、本実施形態に係る圧電素子１０の変形例について、図面を参照しながら説明する。なお、上述した図１、図２のそれぞれに示す圧電素子１０と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。図５は、図１に示す圧電素子１０の変形例の一例を模式的に示す断面図であり、図６は、図２に示す圧電素子１０の変形例の一例を模式的に示す断面図である。
【００６１】
例えば、図５、図６のそれぞれに示すように、第１電極４は、低抵抗層４０を有しないことができる。即ち、図５に示す例では、第１電極４は、ニッケル含有層４１と、ニッケル酸ランタン層４２とからなることができる。また、図６に示す例では、第１電極４は、ニッケル酸ランタン層４２のみからなることができる。なお、図６に示す圧電素子１０の形成工程においては、ニッケル含有層４１は形成されている。
【００６２】
また、例えば、図５、図６のそれぞれに示すように、第２電極６は、導電性酸化層４６のみからなることができる。また、例えば、図示はしないが、第２電極６は、第２低抵抗層４７のみからなることもできる。これらの場合、第２電極６と第１電極４とを、圧電体層５に関してほぼ対称にすることができる。
【００６３】
なお、上述した変形例は一例であって、これらに限定されるわけではなく、例えば、各層の積層順、層数などは適宜変更可能である。
【００６４】
２．第２の実施形態
２−１．  次に、第１の実施形態に係る圧電素子１０を有するインクジェット式記録ヘッドの一実施形態について説明する。図７は、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す側断面図であり、図８は、このインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。なお、図８は、通常使用される状態とは上下逆に示したものである。
【００６５】
インクジェット式記録ヘッド（以下、「ヘッド」ともいう）５０は、図７に示すように、ヘッド本体５７と、ヘッド本体５７の上に設けられた圧電部５４と、を含む。なお、図７に示す圧電部５４は、第１の実施形態に係る圧電素子１０における第１電極４、圧電体層５、および第２電極６に相当する。
【００６６】
また、第１の実施形態に係る圧電素子１０におけるストッパ層２および硬質層３は、図７において弾性層５５に相当し、基板１は、図７においてヘッド本体５７の要部を構成するものとなっている。
【００６７】
ヘッド５０は、図８に示すようにノズル板５１と、インク室基板５２と、弾性層５５と、弾性層５５に接合された圧電部（振動源）５４と、を含み、これらが基体５６に収納されて構成されている。ヘッド５０は、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
【００６８】
ノズル板５１は、例えばステンレス製の圧延プレート等で構成されたもので、インク滴を吐出するための多数のノズル５１１を一列に形成したものである。これらノズル５１１間のピッチは、印刷精度に応じて適宜に設定されている。
【００６９】
ノズル板５１には、インク室基板５２が固着（固定）されている。インク室基板５２は、基板１（例えば図１参照）によって形成されたものである。インク室基板５２は、ノズル板５１、側壁（隔壁）５２２、および弾性層５５によって、複数のキャビティ５２１と、リザーバ５２３と、供給口５２４と、を区画形成したものである。リザーバ５２３は、インクカートリッジ６３１（図１１参照）から供給されるインクを一時的に貯留する。供給口５２４によって、リザーバ５２３から各キャビティ５２１にインクが供給される。
【００７０】
キャビティ５２１は、図７および図８に示すように、各ノズル５１１に対応して配設されている。キャビティ５２１は、弾性層５５の振動によってそれぞれ容積可変になっている。キャビティ５２１は、この容積変化によってインクを吐出するよう構成されている。
【００７１】
インク室基板５２を得るための母材、即ち基板１（例えば図１参照）としては、（１１０）配向のシリコン単結晶基板が用いられている。この（１１０）配向のシリコン単結晶基板は、異方性エッチングに適しているのでインク室基板５２を、容易にかつ確実に形成することができる。
【００７２】
インク室基板５２のノズル板５１と反対の側には弾性層５５が配設されている。さらに弾性層５５のインク室基板５２と反対の側には複数の圧電部５４が設けられている。弾性層５５の所定位置には、図８に示すように、弾性層５５の厚さ方向に貫通して連通孔５３１が形成されている。連通孔５３１により、インクカートリッジ６３１からリザーバ５２３へのインクの供給がなされる。
【００７３】
各圧電部５４は、後述する圧電素子駆動回路に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて作動（振動、変形）するよう構成されている。すなわち、各圧電部５４はそれぞれ振動源（圧電素子）として機能する。弾性層５５は、圧電部５４の振動（たわみ）によって振動し（たわみ）、キャビティ５２１の内部圧力を瞬間的に高めるよう機能する。
【００７４】
基体５６は、例えば各種樹脂材料、各種金属材料等で形成されている。図８に示すように、この基体５６にインク室基板５２が固定、支持されている。
【００７５】
２−２．  次に、本実施形態におけるインクジェット式記録ヘッド５０の動作について説明する。本実施形態におけるヘッド５０は、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力されていない状態、すなわち、圧電部５４の第１電極４と第２電極６との間に電圧が印加されていない状態では、図９に示すように圧電体層５に変形が生じない。このため、弾性層５５にも変形が生じず、キャビティ５２１には容積変化が生じない。従って、ノズル５１１からインク滴は吐出されない。
【００７６】
一方、圧電素子駆動回路を介して所定の吐出信号が入力された状態、すなわち、圧電部５４の第１電極４と第２電極６との間に電圧が印加された状態では、図１０に示すように、圧電体層５においてその短軸方向（図１０に示す矢印ｓの方向）にたわみ変形が生じる。これにより、弾性層５５がたわみ、キャビティ５２１の容積変化が生じる。このとき、キャビティ５２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル５１１からインク滴５８が吐出される。
【００７７】
すなわち、電圧を印加すると、圧電体層５の結晶格子は面方向に対して垂直な方向（図１０に示す矢印ｄの方向）に引き伸ばされるが、同時に面方向には圧縮される。この状態では、圧電体層５にとっては面内に引っ張り応力ｆが働いていることになる。従って、この引っ張り応力ｆによって弾性層５５をそらせ、たわませることになる。キャビティ５２１の短軸方向での圧電体層５の変位量（絶対値）が大きければ大きいほど、弾性層５５のたわみ量が大きくなり、より効率的にインク滴を吐出することが可能になる。
【００７８】
１回のインクの吐出が終了すると、圧電素子駆動回路は、第１電極４と第２電極６との間への電圧の印加を停止する。これにより、圧電部５４は図９に示す元の形状に戻り、キャビティ５２１の容積が増大する。なお、このとき、インクには、インクカートリッジ６３１からノズル５１１へ向かう圧力（正方向への圧力）が作用している。このため、空気がノズル５１１からキャビティ５２１へと入り込むことが防止され、インクの吐出量に見合った量のインクがインクカートリッジ６３１からリザーバ５２３を経てキャビティ５２１へ供給される。
【００７９】
このように、インク滴の吐出を行わせたい位置の圧電部５４に対して、圧電素子駆動回路を介して吐出信号を順次入力することにより、任意の（所望の）文字や図形等を印刷することができる。
【００８０】
２−３．  次に、本実施形態におけるインクジェット式記録ヘッド５０の製造方法の一例について説明する。
【００８１】
まず、インク室基板５２となる母材、すなわち（１１０）配向のシリコン単結晶基板からなる基板１を用意する。次に、例えば図１に示すように、基板１上にストッパ層２、硬質層３、第１電極４、圧電体層５、および第２電極６を順次形成する。
【００８２】
次に、第２電極６、圧電体層５、および第１電極４を、図９に示すように、個々のキャビティ５２１に対応させてパターニングし、図７に示すように、キャビティ５２１の数に対応した数の圧電部５４を形成する。
【００８３】
次に、インク室基板５２となる母材（基板１）をパターニングし、圧電部５４に対応する位置にそれぞれキャビティ５２１となる凹部を、また、所定位置にリザーバ５２３および供給口５２４となる凹部を形成する。
【００８４】
本実施形態では、母材（基板１）として（１１０）配向のシリコン基板を用いているので、高濃度アルカリ水溶液を用いたウェットエッチング（異方性エッチング）が好適に採用される。高濃度アルカリ水溶液によるウェットエッチングの際には、前述したようにストッパ層２をエッチングストッパとして機能させることができる。従って、インク室基板５２の形成をより容易に行うことができる。
【００８５】
このようにして母材（基板１）を、その厚さ方向に弾性層５５が露出するまでエッチング除去することにより、インク室基板５２を形成する。このときエッチングされずに残った部分が側壁５２２となる。
【００８６】
次に、複数のノズル５１１が形成されたノズル板５１を、各ノズル５１１が各キャビティ５２１となる凹部に対応するように位置合わせし、その状態で接合する。これにより、複数のキャビティ５２１、リザーバ５２３および複数の供給口５２４が形成される。ノズル板５１の接合については、例えば接着剤による接着法や、融着法などを用いることができる。次に、インク室基板５２を基体５６に取り付ける。
【００８７】
以上の工程によって、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド５０を製造することができる。
【００８８】
２−４．  本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド５０によれば、第１の実施形態で述べたように、圧電部５４の圧電体層５の圧電定数（ｄ３１）が高く、印加された電圧に対してより大きな変形をなすものとなっている。すなわち、圧電部５４が良好な圧電特性を有する。これにより、弾性層５５のたわみ量が大きくなり、インク滴をより効率的に吐出できる。ここで、効率的とは、より少ない電圧で同じ量のインク滴を飛ばすことができることを意味する。すなわち、駆動回路を簡略化することができ、同時に消費電力を低減することができるため、ノズル５１１のピッチをより高密度に形成することなどができる。従って、高密度印刷や高速印刷が可能となる。さらには、キャビティ５２１の長軸の長さを短くすることができるため、ヘッド全体を小型化することができる。
【００８９】
３．第３の実施形態
３−１．  次に、第２の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド５０を有するインクジェットプリンタの一実施形態について説明する。図１１は、本実施形態に係るインクジェットプリンタ６００を示す概略構成図である。インクジェットプリンタ６００は、紙などに印刷可能なプリンタとして機能することができる。なお、以下の説明では、図１１中の上側を「上部」、下側を「下部」と言う。
【００９０】
インクジェットプリンタ６００は、装置本体６２０を有し、上部後方に記録用紙Ｐを設置するトレイ６２１を有し、下部前方に記録用紙Ｐを排出する排出口６２２を有し、上部面に操作パネル６７０を有する。
【００９１】
装置本体６２０の内部には、主に、往復動するヘッドユニット６３０を有する印刷装置６４０と、記録用紙Ｐを１枚ずつ印刷装置６４０に送り込む給紙装置６５０と、印刷装置６４０および給紙装置６５０を制御する制御部６６０とが設けられている。
【００９２】
印刷装置６４０は、ヘッドユニット６３０と、ヘッドユニット６３０の駆動源となるキャリッジモータ６４１と、キャリッジモータ６４１の回転を受けて、ヘッドユニット６３０を往復動させる往復動機構６４２と、を含む。
【００９３】
ヘッドユニット６３０は、その下部に、上述の多数のノズル５１１を有するインクジェット式記録ヘッド５０と、このインクジェット式記録ヘッド５０にインクを供給するインクカートリッジ６３１と、インクジェット式記録ヘッド５０およびインクカートリッジ６３１を搭載したキャリッジ６３２とを有する。
【００９４】
往復動機構６４２は、その両端がフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸６４４と、キャリッジガイド軸６４４と平行に延在するタイミングベルト６４３とを有する。キャリッジ６３２は、キャリッジガイド軸６４４に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト６４３の一部に固定されている。キャリッジモータ６４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト６４３を正逆走行させると、キャリッジガイド軸６４４に案内されて、ヘッドユニット６３０が往復動する。この往復動の際に、インクジェット式記録ヘッド５０から適宜インクが吐出され、記録用紙Ｐへの印刷が行われる。
【００９５】
給紙装置６５０は、その駆動源となる給紙モータ６５１と、給紙モータ６５１の作動により回転する給紙ローラ６５２とを有する。給紙ローラ６５２は、記録用紙Ｐの送り経路（記録用紙Ｐ）を挟んで上下に対向する従動ローラ６５２ａと、駆動ローラ６５２ｂとで構成されており、駆動ローラ６５２ｂは、給紙モータ６５１に連結されている。
【００９６】
３−２．  本実施形態に係るインクジェットプリンタ６００によれば、第２の実施形態で述べたように、高性能でノズルの高密度化が可能なインクジェット式記録ヘッド５０を有するので、高密度印刷や高速印刷が可能となる。
【００９７】
なお、本発明のインクジェットプリンタ６００は、工業的に用いられる液滴吐出装置として用いることもできる。その場合に、吐出するインク（液状材料）としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整して使用することができる。
【００９８】
上記のように、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、本発明に係る圧電素子は、前述したデバイスに適用されるだけでなく、種々のデバイスに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】第１の実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係る圧電素子を模式的に示す断面図。
【図３】実験例に係るニッケル酸ランタン層の２θ−θスキャンのＸ線回折図。
【図４】実験例に係る断面ＴＥＭの暗視野像。
【図５】第１の実施形態に係る圧電素子の変形例の一例を模式的に示す断面図。
【図６】第１の実施形態に係る圧電素子の変形例の一例を模式的に示す断面図。
【図７】第２の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの概略構成図。
【図８】第２の実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図。
【図９】インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。
【図１０】インクジェット式記録ヘッドの動作を説明するための図。
【図１１】第３の実施形態に係るインクジェットプリンタの概略構成図。
【符号の説明】
【０１００】
１  基板、２  ストッパ層、３  硬質層、４  第１電極、５  圧電体層、６  第２電極、１０  圧電素子、１２  接着剤層、４０  低抵抗層、４１  ニッケル含有層、４２  ニッケル酸ランタン層、４６  導電性酸化層、４７  第２低抵抗層、５０  インクジェット式記録ヘッド、５１  ノズル板、５２  インク室基板、５４  圧電部、５５  弾性層、５６  基体、５７  ヘッド本体、５８  インク滴、５１１  ノズル、５２１  キャビティ、５２２  側壁、５２３  リザーバ、５２４  供給口、５３１  連通孔、６００  インクジェットプリンタ、６２０  装置本体、６２１  トレイ、６２２  排出口、６３０  ヘッドユニット、６３１  インクカートリッジ、６３２  キャリッジ、６４０  印刷装置、６４１  キャリッジモータ、６４２  往復動機構、６４３  タイミングベルト、６４４  キャリッジガイド軸、６５０  給紙装置、６５１  給紙モータ、６５２  給紙ローラ、６６０  制御部，６７０  操作パネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006269957.tif 000009
【図９】
2006269957.tif 000010
【図１０】
2006269957.tif 000011
【図１１】
2006269957.tif 000012
【図４】
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